Einführung in die Programmierung

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1 : Inhalt Einführung in die Programmierung Wintersemester 2010/11 arithmetik für dynamischen Speicher Anwendungen Prof. Dr. Günter Rudolph Lehrstuhl für Algorithm Engineering Fakultät für Informatik TU Dortmund 2 Caveat! Fehlermöglichkeiten immens groß! Falsch gesetzte Programm- und zuweilen Rechnerabstürze! Aber: Machtvolles Konzept! Deshalb genaues Verständnis unvermeidlich! Dazu müssen wir etwas ausholen... Speicherplätzen sind fortlaufende Nummern (= Adressen) zugeordnet Datentyp legt Größe eines Datenobjektes fest Lage eines Datenobjektes im Speicher bestimmt durch Anfangsadresse = Datenobjekt mit Inhalt (4 Byte) Inhalt interpretiert als Adresse eines anderen Datenobjektes Datenobjekt Adresse Inhalt Adresse Inhalt

2 Datenobjekt Adresse Inhalt Adresse Inhalt Beispiel: Visitenkarte Hugo Hase X-Weg X-Weg Adresse des s Inhalt des s Adresse des Objekts Inhalt des Objekts Inhalt: Adresse X-Weg 42 Objekt Inhalt: Hugo Hase 5 6 : Wofür? weiterreichen einfacher als Datenobjekt weiterreichen verschieben einfacher / effizienter als Datenobjekt verschieben etc. Datendefinition Datentyp *Bezeichner; reserviert 4 Byte für einen, der auf ein Datenobjekt vom Typ des angegebenen Datentyps verweist Beispiel double Umsatz; double *pumsatz; Herkömmliche Variable vom Type double auf Datentyp double 7 Was passiert genau? double Umsatz; double *pumsatz; Umsatz = ; pumsatz = &Umsatz; *pumsatz = ; reserviert 8 Byte für Datentyp double; symbolischer Name: Umsatz; Rechner kennt jetzt Adresse des Datenobjektes reserviert 4 Byte für einen, der auf ein Datenobjekt vom Type double zeigen kann; symbolischer Name: pumsatz Speicherung des Wertes an Speicherort mit symbolischer Adresse Umsatz holt Adresse des Datenobjektes, das an symbolischer Adresse Umsatz gespeichert ist; speichert Adresse in pumsatz indirekte Wertzuweisung: Wert wird als Inhalt an den Speicherort gelegt, auf den pumsatz zeigt 8

3 Zwei Operatoren: * und & *-Operator: - mit Datentyp: Erzeugung eines s double *pumsatz; - mit Variable: Inhalt des Ortes, an den zeigt *pumsatz = 10.24; &-Operator: ermittelt Adresse des Datenobjektes Wie interpretiert man Datendefinition richtig? Man lese von rechts nach links! double *pumsatz; pumsatz = &Umsatz; 1. pumsatz ist 2. auf 3. Typ double 9 Initialisierung Sei bereits double Umsatz; vorhanden: double *pumsatz = &Umsatz; oder int *pint = NULL; oder int *pint = 0; Nullpointer! Symbolisiert Adresse, auf der niemals ein Datenobjekt liegt! Verwendung Nullzeiger: zeigt auf Nichts! Er ist leer! 10 Beispiele: double a = 4.0, b = 5.0, c; c = a + b; double *pa = &a, *pb = &b, *pc = &c; *pc = *pa + *pb; double x = 10.; double y = *&x; Typischer Fehler double *widerstand; *widerstand = 120.5; Dem wurde keine Adresse zugewiesen! Er zeigt also irgendwo hin: a) Falls in geschützten Speicher, dann Abbruch wg. Speicherverletzung! b) Falls in nicht geschützten Speicher, dann Veränderung anderer Daten! Folge: Seltsames Programmverhalten! Schwer zu erkennender Fehler! 11 12

4 Exkurs: const Qualifizierer Unterscheidung Konstante char *text = Hallo ; int feld[] = { 2, 3, 4 ; zeigt auf feste Adresse im Speicher, auf die Programmierer nicht verändernd zugreifen kann! text feld H a l l o \ int *const cpfeld = feld; v.r.n.l.: cpfeld ist constanter auf Datentyp int Aber: Es gibt Compilerspezifische Unterschiede! 13 Schlüsselwort const gibt an, dass Werte nicht verändert werden können! Leider gibt es 2 Schreibweisen: const int a = 1; int const a = 1; identisch zu ) konstanter Integer ) da Konstanten kein Wert zuweisbar, Wertbelegung bei Initialisierung! verschiedene Schreibweisen können zu Verwirrungen führen (besonders bei n!) ) am besten konsistent bei einer Schreibweise bleiben! 14 Exkurs: const Qualifizierer Exkurs: const Qualifizierer Fragen: 1. Was ist konstant? 2. Wo kommt das Schlüsselwort const hin? char* s1 char const* s2 char* const s3 = " auf char"; = " auf konstante char"; = "Konstanter auf char"; char const* const s4 = "Konstanter auf konstante char"; Sinnvolle Konvention / Schreibweise: Konstant ist, was vor dem Schlüsselwort const steht! ) Interpretation der Datendefinition / Initialisierung von rechts nach links! 15 char* s1 = "1"; char const* s2 = "2"; char* const s3 = "3"; char const* const s4 = "4"; V V K K Inhalt V *s1 = 'a'; *s2 = 'b'; // Fehler: Inhalt nicht veränderbar *s3 = 'c'; *s4 = 'd'; // Fehler: Inhalt nicht veränderbar char* s0 = "0"; s1 = s0; s2 = s0; s3 = s0; // Fehler: nicht veränderbar s4 = s0; // Fehler: nicht veränderbar K V K V: veränderlich K: konstant 16

5 Unterscheidung Veränderliche double x = 2.0, y = 3.0, z = 7.0, s = 0.0, *ptr; ptr = &x; s += *ptr; ptr = &y; s += *ptr; ptr = &z; s += *ptr; ptr nimmt nacheinander verschiedene Werte (Adressen) an s hat am Ende den Wert 12.0 ptr x y z 17 arithmetik Sei T ein beliebiger Datentyp in der Datendefinition T *ptr; und ptr ein auf ein Feldelement eines Arrays von Typ T Dann bedeutet: ptr = ptr + 1; oder ++ptr; dass der ptr auf das nächste Feldelement zeigt. Analog: ptr = ptr 1; oder --ptr; ptr zeigt dann auf das vorherige Feldelement 18 arithmetik Achtung: T val; T *ptr = &val; ptr = ptr + 2; arithmetik int a[] = { 100, 110, 120, 130, *pa, sum = 0; pa = &a[0]; sum += *pa + *(pa + 1) + *(pa + 2) + *(pa + 3); In der letzten Zeile werden nicht 2 Byte zu ptr hinzugezählt, sondern 2 mal die Speichergröße des Typs T. Das wird auch dann durchgeführt wenn ptr nicht auf Array zeigt. struct KundeT { double umsatz; float skonto; ; KundeT Kunde[5], *pkunde; pkunde = &Kunde[0]; int i = 3; *pkunde = *(pkunde + i); Größe des Datentyps KundeT: = 12 Byte Sei pkunde == Dann(pKunde + i) ==

6 arithmetik char *quelle = Ich bin eine Zeichenkette ; int const maxzeichen = 100; char ziel[maxzeichen], *pz = &ziel[0]; // Länge der Zeichenkette char *pq = quelle; while (*pq!= \0 ) pq++; int len = pq quelle; if (len < maxzeichen) { // Kopieren der Zeichenkette pq = quelle; while (*pq!= \0 ) { *pz = *pq; pz++; pq++; *pz = \0 ; Kommentar Kommentar später! auf Datenverbund (struct) struct punktt { int x, y; ; punktt punkt[1000]; punktt *ptr = punkt; punkt[0].x = 10; punkt[2].x = 20; punkt[k].x = 100; ptr->x = 10; (ptr + 2)->x = 20; (ptr + k)->x = 100; (*ptr).x ist identisch zu ptr->x Aufgabe: Lese zwei Vektoren reeller Zahlen der Länge n ein. Berechne das Skalarprodukt und gebe den Wert auf dem Bildschirm aus! Lösungsansatz: Vektoren als Arrays von Typ double. n darf höchstens gleich der Arraygröße sein! Testen und ggf. erneute Eingabe! 23 #include <iostream> using namespace std; int main() { unsigned int const nmax = 100; unsigned int i, n; double a[nmax], b[nmax]; // Dimension n einlesen und überprüfen do { cout << "Dimension ( n < " << nmax << " ): "; cin >> n; while (n < 1 n > nmax); (Fortsetzung folgt ) Datendefinition double a[nmax] OK, weil nmax eine Konstante ist! Ohne const: Fehlermeldung! z.b. Konstanter Ausdruck erwartet 24

7 Sinn & Zweck des ISO Standards für C++ Kapitel Intermezzo 4 Sinn & Zweck des ISO Standards für C++ Kapitel Intermezzo 4 Der aktuelle GNU C++ Compiler erlaubt folgendes: #include <iostream> int main() { int n; std::cin >> n; double a[n]; a[0] = 3.14; Aber: Der Microsoft C++ Compiler (VS 2003) meldet einen Fehler! Variable Arraygrenzen sind nicht Bestandteil des C++ Standards! Verwendung von Compiler-spezifischen Spracherweiterungen führt zu Code, der nicht portabel ist! #include <iostream> int main() { int n; std::cin >> n; double a[n]; a[0] = 3.14; Also: Bei Softwareentwicklung nur Sprachelemente des C++ Standards verwenden! Bei GNU Compiler: Option -pedantic C++ Standard ISO/IEC z.b. als PDF-Datei erhältlich für 30$ Das ist nicht wünschenswert! ( Fortsetzung) // Vektor a einlesen for (i = 0; i < n; i++) { cout << "a[" << i << "]= "; cin >> a[i]; // Vektor b einlesen for (i = 0; i < n; i++) { cout << "b[" << i << "]= "; cin >> b[i]; // Skalarprodukt berechnen double sp = 0.; for (i = 0; i < n; i++) sp += a[i] * b[i]; // Ausgabe cout << "Skalarprodukt = " << sp << endl; Anmerkung: Fast identischer Code! Effizienter mit Funktionen! nächstes Kapitel! Unbefriedigend bei der Implementierung: Maximale festgelegte Größe des Vektors! Liegt an der unterliegenden Datenstruktur Array: Array ist statisch, d.h. Größe wird zur Übersetzungszeit festgelegt und ist während der Laufzeit des Programms nicht veränderbar! Schön wären dynamische Datenstrukturen, d.h. Größe wird zur Übersetzungszeit nicht festgelegt und ist während der Laufzeit des Programms veränderbar! Das geht mit dynamischem Speicher und n! 27 28

8 Exkurs: Dynamischer Speicher Exkurs: Dynamischer Speicher Erzeugen und Löschen eines Objekts zur Laufzeit: 1. Operator new erzeugt Objekt 2. Operator delete löscht zuvor erzeugtes Objekt Beispiel: (Erzeugen) int *xp = new int; double *yp = new double; struct PunktT { int x, y; ; PunktT *pp = new PunktT; int n = 10; int *xap = new int[n]; PunktT *pap = new PunktT[n]; Beispiel: (Löschen) delete xp; delete yp; delete pp; delete[] xap; delete[] pap; variabel, nicht konstant! Bauplan: Datentyp *Variable = new Datentyp; delete Variable; Bauplan für Arrays: Datentyp *Variable = new Datentyp[Anzahl]; delete[] Variable; (Erzeugen) (Löschen) (Erzeugen) (Löschen) Achtung: Dynamisch erzeugte Objekte müssen auch wieder gelöscht werden! Keine automatische Speicherbereinigung! Exkurs: Dynamischer Speicher Wo wird Speicher angelegt? im Freispeicher alias Heap alias dynamischen Speicher Heap Stack Programm und statischer Speicher wächst nach unten wächst nach oben wenn Heapgrenze auf Stackgrenze stösst: Out of Memory Error Stack bereinigt sich selbst, für Heap ist Programmierer verantwortlich! Zurück zur Beispielaufgabe: unsigned int const nmax = 100; unsigned int i, n; double a[nmax], b[nmax]; do { cout << "Dimension ( n < " << nmax << " ): "; cin >> n; while (n < 1 n > nmax); unsigned int i, n; double *a, *b; do { cout << "Dimension: "; cin >> n; while (n < 1); a = new double[n]; b = new double[n]; vorher: statischer Speicher nachher: dynamischer Speicher 31 32

9 Nicht vergessen: Am Ende angeforderten dynamische Speicher wieder freigeben! delete[] a; delete[] b; Sonst Speicherleck! ) Programm terminiert möglicherweise anormal mit Fehlermeldung! Beispiel für programmierten Absturz: #include <iostream> using namespace std; int main() { unsigned int const size = 100 * 1024; unsigned short k = 0; while (++k < 5000) { double* ptr = new double[size]; cout << k << endl; // delete[] ptr; bei k ¼ 2500 sind 2 GB erreicht ) Abbruch! Projekt: Matrix mit dynamischem Speicher (Größe zur Laufzeit festgelegt!) Vorüberlegungen: Speicher im Rechner ist linear! ) Rechteckige / flächige Struktur der Matrix linearisieren! x x x x x x x x y y y y z z z z y y y y z z z z Projekt: Matrix mit dynamischem Speicher (Größe zur Laufzeit festgelegt!) double **matrix; matrix = new double*[zeilen]; matrix[0] = new double[zeilen * spalten]; for (i = 1; i < zeilen; i++) matrix[i] = matrix[i-1] + spalten; matrix Zugriff wie beim zweidimensionalen statischen Array: matrix[2][3] = 2.3; n Zeilen, m Spalten ) n x m Speicherplätze! zeigt auf double* matrix[0] matrix[2][3] 35 36